Nanokrzem błyskawicznie rozkłada wodę

Foto: Nanokrzem/Swihart Research Group, University of Buffalo

Od dawna wiadomo, że gdy krzem łączy się z wodą, powstaje w wyniku utleniania wodór. Gdy jednak cząstki krzemu są nanometrowych rozmiarów, reakcja zachodzi 1000 razy szybciej – dowodzą najnowsze badania prowadzone na Univwersity of Buffalo w USA. Odkrycie to może posłużyć do budowy szybkich generatorów wodoru, działających po dodaniu wody, które zasilałyby miniaturowe ogniwa paliwowe, służące jako źródło prądu w przenośnych urządzeniach.

W porównaniu z innymi reakcjami, w których otrzymuje się wodór z rozdziału wody, reakcja z krzemem była bardzo wolna. Jednak krzem jest materiałem dostępnym, łatwym w transporcie i ma wysoką gęstość energetyczną. Jeden mol krzemu uwalnia 2 mole wodoru. Dlatego naukowcy zainteresowali się krzemem w postaci nanocząstek, o dużej powierzchni właściwej, jako potencjalnym źródłem wodoru.

Wyniki, jakie otrzymali naukowcy przy użyciu nanocząstek krzemu, przerosły znacznie ich oczekiwania. Reakcja 10-nanometowych cząstek krzemu z wodą dała łącznie 2,58 mola wodoru na mol krzemu (więcej niż zakładano w teorii). Na wyprodukowanie 1 mmola wodoru wystarcza 5 sekund. Dla porównania, gdy do reakcji wzięto cząstki o rozmiarze 100 nm otrzymano 1,25 mola wodoru na mol krzemu i proces wyprodukowania 1 mmol wodoru trwał 811 sekund. Jeszcze większą różnicę obserwuje się w przypadku krzemu w większym bloku, gdzie otrzymano tylko 1,25 mola wodoru/mol krzemu i do wyprodukowania 1 mmol potrzeba było aż 12,5 godziny.

10-nanometrowe cząstki krzemu produkują wodór szybciej niż nanocząstki cynku oraz glinu. Glin podczas reakcji tworzy na powierzchni tlenek (Al2O3) o większej gęstości i trwałości niż krzem, co ogranicza wydajność reakcji. Krzem w obecności zasady, np. potasowej (KOH), przekształca się do rozpuszczalnego kwasu krzemowego (Si(OH)4).

Nanokrzem nie nadaje się do wykorzystania jako źródło produkcji wodoru na szeroką skalę, ponieważ ilość energii, jaką trzeba wnieść, aby go wyprodukować, jest większa niż energia, jaką później można otrzymać z wodoru. Jeśli natomiast użyć nanokrzemu jako źródło energii w telefonach komórkowych i innych małych urządzeniach elektronicznych, całe przedsięwzięcie nabiera sensu ekonomicznego. Do szerokiego wykorzystania nanokrzemu konieczne są dalsze badania skupione na poprawie jego wydajności, np. poprzez tworzenie mieszanin z wodorkami metali, podczas reakcji których powstają zasady (np. NaOH, LiOH), które z kolei katalizują reakcję krzemu.

(pj)